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Un nuevo bioproceso para convertir materiales vegetales en valiosos productos químicos.

plantas
Crédito: CC0 Public Domain

Un equipo de científicos de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign desarrolló un bioproceso utilizando levadura de ingeniería que convirtió de manera completa y eficiente la materia vegetal que consiste en acetato y xilosa en bioproductos de alto valor.


por Sharita Forrest, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign


La lignocelulosa, el material leñoso que da estructura a las células vegetales, es la materia prima más abundante en la Tierra y durante mucho tiempo se ha considerado una fuente de energía renovable. Contiene principalmente acetato y los azúcares glucosa y xilosa , todos los cuales se liberan durante la descomposición.

En un artículo publicado en Nature Communications , el equipo describió su trabajo, que ofrece un método viable para superar uno de los principales obstáculos que impiden la comercialización de biocombustibles lignocelulósicos: la toxicidad del acetato para fermentar microbios como la levadura.

«Este es el primer enfoque para demostrar la utilización eficiente y completa de xilosa y acetato para la producción de biocombustible», dijo el profesor de ciencia alimentaria y nutrición humana Yong-Su Jin. Jin, afiliado del Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica, dirigió la investigación con el entonces estudiante graduado Liang Sun, el primer autor del artículo.

Su metodología utilizó por completo la xilosa y el acetato de las paredes celulares del pasto varilla, transformando el acetato de un subproducto no deseado en un sustrato valioso que aumentó la eficiencia de la levadura para convertir los azúcares en los hidrosolatos.

«Descubrimos que podemos usar lo que se considera una sustancia tóxica e inútil como fuente de carbono suplementaria con xilosa para producir productos químicos finos de manera económica», como la lactona de ácido triacético, o TAL, y la vitamina A, que se derivan de la misma molécula precursora. , acetil coenzima A, dijo Jin.

TAL es una plataforma química versátil que se obtiene actualmente mediante la refinación de petróleo y se utiliza para producir plásticos e ingredientes alimentarios, dijo Sun, actualmente estudiante de posdoctorado en la Universidad de Wisconsin, Madison.

En un trabajo anterior, el coautor Soo Rin Kim, entonces miembro del Energy Biosciences Institute, diseñó una cepa de la levadura Saccharomyces cerevisiae para consumir xilosa rápida y eficientemente. Kim es actualmente miembro de la facultad de la Universidad Nacional de Kyungpook, Corea del Sur.

 En el estudio actual, utilizaron pasto varilla cosechado en la U. de I. Energy Farm para crear hidrolizados de hemicelulosa. Las células de levadura modificadas genéticamente se utilizaron para fermentar la glucosa, la xilosa y el acetato en los hidrosalatos.

Cuando se proporcionaron glucosa y acetato juntos, S. cerevisiae convirtió rápidamente la glucosa en etanol, disminuyendo el nivel de pH del cultivo celular. Sin embargo, el consumo de acetato se inhibió fuertemente, lo que provocó que el cultivo se volviera tóxico para las células de levadura en condiciones de pH bajo.

Cuando se proporcionó xilosa con acetato, «estas dos fuentes de carbono formaron sinergias que promovieron un metabolismo eficiente de ambos compuestos», dijo Sun. «La xilosa apoyó el crecimiento celular y suministró suficiente energía para la asimilación del acetato. Por lo tanto, la levadura podría metabolizar el acetato como sustrato de manera muy eficiente para producir una gran cantidad de TAL».

Al mismo tiempo, el nivel de pH del medio aumentó a medida que se metabolizó el acetato, lo que a su vez promovió el consumo de xilosa por parte de la levadura, dijo Sun.

Cuando analizaron la expresión génica de S. cerevisiae mediante secuenciación de ARN, encontraron que los genes clave involucrados en la captación y el metabolismo de acetato estaban regulados drásticamente por la xilosa en comparación con la glucosa, dijo Sun.

Las células de levadura que se alimentaron con acetato y xilosa acumularon una mayor biomasa, junto con un aumento del 48% y el 45% en sus niveles de lípidos y ergosterol, respectivamente. El ergosterol es una hormona fúngica que juega un papel importante en la adaptación al estrés durante la fermentación.

La co-utilización de acetato y xilosa también aumentó el suministro de acetil-CoA de la levadura, una molécula precursora de ergosterol y lípidos, y proporcionó un atajo metabólico: convertir el acetato en acetil-CoA, acercando un paso más la producción de TAL, dijo Sun.

«Al utilizar conjuntamente xilosa y acetato como fuentes de carbono, pudimos mejorar drásticamente la producción de TAL, una producción 14 veces mayor que la que se informó anteriormente utilizando S. cerevisiae modificada», dijo Sun. «También empleamos esta estrategia para la producción de vitamina A, lo que demuestra su potencial para producir en exceso otros bioproductos de alto valor derivados de la acetil-CoA, como los esteroides y los flavonoides».

Debido a que el proceso utilizó a fondo las fuentes de carbono en la biomasa lignocelulósica, Jin y Sun dijeron que se puede integrar sin problemas en las biorrefinerías celulósicas.

«Se trata de la sustentabilidad de nuestra sociedad», dijo Sun. «Necesitamos utilizar plenamente estos recursos sin explotar para construir un futuro sostenible. Esperamos que en 50 o 100 años, dependamos principalmente de estas materias primas renovables y abundantes para producir la energía y los materiales que necesitamos para nuestra vida diaria. Esa es nuestra objetivo. Pero por ahora, solo estamos haciendo pequeñas cosas para asegurarnos de que esto suceda gradualmente «.



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